CN104849843B

CN104849843B - 激光合成光学装置

Info

Publication number: CN104849843B
Application number: CN201410598519.4A
Authority: CN
Inventors: 关俊秀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: KR101616635B1; JP2015153889A; CN104849843A; KR20150096299A; EP2908517B1; US20150236479A1; CA2862616A1; US9431795B2; CA2862616C; EP2908517A1

Abstract

本发明提供一种激光合成光学装置，能够以简易的结构对来自多个激光器的激光进行合成。本发明的激光合成光学装置(100)的特征在于，具有：多个半导体激光器阵列(10a、10b、10c)；以及反射元件(11b、11c)，它们反射从多个半导体激光器阵列(10a、10b、10c)中的至少1个半导体激光器阵列(10b、10c)射出的激光光束，在将从多个半导体激光器阵列(10a、10b、10c)中的各个半导体激光器阵列(10a、10b、10c)射出的激光光束会聚于1个会聚点(14)时，从至少1个半导体激光器阵列(10b、10c)射出的激光光束在被反射元件(11b、11c)反射后会聚于会聚点(14)。

Description

激光合成光学装置

技术领域

本发明涉及激光合成光学装置，尤其涉及对具有多个发光点的多发射器型激光器的多个输出光进行合成的激光合成光学装置。

背景技术

以往，在投影仪等投射型显示装置中利用高压水银灯等作为光源。灯的发光光谱根据封入到灯内部的物质的性质而包含大致连续的可见光范围。为了在显示装置形成最优的颜色，灯的发光光谱被分离成红色、绿色、蓝色这3种颜色。然后，利用各色光对小型显示装置进行照明，在屏幕上对各色光进行再合成，由此形成全彩色的影像。

近年来，正在积极开发替代高压水银灯等的灯而将激光作为光源的投射型显示装置。以激光为光源的投射型显示装置以单色的激光为光源，因此颜色的再现范围大。此外，激光发光点小，因此能够实现光学系统整体的小型化。此外，例如红色、绿色、蓝色的单色光是从红色、绿色、蓝色的各激光器输出的，因此，不需要如使用灯作为光源的情况那样用于颜色分离的光学系统。

但是，在利用单个激光元件作为投射型图像显示装置的光源的情况下，在当前的技术水平下，激光元件的输出不足。尤其是在将投射型图像显示装置用于投射大画面图像光的用途的情况下，不能得到足够的光量。为此，提出了例如专利文献1所示的如下手段：采用具有多个具有1个发光点的单发射器激光器的结构，对其输出进行合成来实现高输出。

此外，在专利文献2中提出了如下方法：将具有多个发光点的多发射器型激光器(也称作半导体激光器阵列)会聚成1个并进行光纤耦合。

此外，在专利文献3中还提出了如下方法：使用偏振部件校正多个激光器的光束，借助会聚透镜会聚入射到光纤。

专利文献1：日本特开2000-241659号公报

专利文献2：日本特开2002-202442号公报

专利文献3：日本特开2007-17925号公报

但是，在上述专利文献1中，激光光束从各激光元件到聚光透镜的距离不同，因此聚光透镜位置处的光束直径不同。因此，很难得到足够小的会聚点。

此外，在专利文献2中示出了对单个的多发射器型激光器进行会聚的结构，但是，很难通过该结构对多个多发射器型激光器的输出进行合成。

此外，在专利文献3中，会聚光学系统只具有合波的功能，很难进行像差校正，会聚光斑很难小径化。此外，为了良好地进行像差校正，要求准直透镜的形状和配置具有较高的精度，在成本、生产性方面存在问题。

发明内容

本发明正是为了解决以上问题而完成的，其目的在于，提供一种激光合成光学装置，能够以简易的结构对来自多个激光器的激光进行合成。

本发明的激光合成光学装置的特征在于，该激光合成光学装置具有：多个半导体激光器阵列；以及反射元件，其反射从多个半导体激光器阵列中的至少1个半导体激光器阵列射出的激光光束，在将从多个半导体激光器阵列中的各个半导体激光器阵列射出的激光光束会聚于1个会聚点时，从至少1个半导体激光器阵列射出的激光光束在被反射元件反射后会聚于会聚点。

根据本发明的激光合成光学装置，由于将从多个半导体激光器阵列射出的激光光束会聚于会聚点，因此，能够输出高密度且高输出的激光。此外，由于利用反射元件反射激光光束来改变激光光束的光轴角度，因此，不需要相邻地配置多个半导体激光器阵列。因此，在半导体激光器阵列的配置上，自由度得到提高。此外，能够通过调整反射元件的角度，自由地调整激光光束的光轴角度。

此外，由于半导体激光器阵列的配置的自由度以及激光元件的光轴角度的自由度得到提高，因此，能够使沿着激光光束的光轴从各半导体激光器阵列到会聚部的入射面的距离彼此相等。由此，入射到会聚部的多个激光光束的光束直径彼此相等。因此，能够以简易的结构使会聚于会聚点的激光光束的光束直径变小。

附图说明

图1是示出实施方式1的激光合成光学装置的结构的图。

图2是示出通常的激光元件发出的激光的扩展的图。

图3是实施方式1的半导体激光器阵列的立体图。

图4是实施方式1的激光合成光学装置的透镜阵列的入射面处的激光光束的剖视图。

图5是示出实施方式2的激光合成光学装置的结构的图。

图6是实施方式2的激光合成光学装置的透镜阵列的入射面处的激光光束的剖视图。

图7是示出实施方式3的激光合成光学装置的结构的图。

标号说明

10a、10b、10c半导体激光器阵列，11b、11c反射元件，12透镜阵列，13会聚透镜，14会聚点，15a、15b、15c光轴，16a、16b、16c激光光束的截面，17像差校正透镜，18会聚部，20a、20b、20c透镜，100、200、300激光合成光学装置。

具体实施方式

＜实施方式1＞

＜结构＞

图1是示出本实施方式的激光合成光学装置100的结构的图。以下，使用图1中所示的XYZ坐标系，对各结构部件的配置进行说明。

激光合成光学装置100具有3个半导体激光器阵列(也称作多发射器型激光器)10a、10b、10c。如图1所示，半导体激光器阵列10a、10b、10c被配置在同一平面上。在此，同一平面是指与X轴成特定值的YZ平面。此外，激光合成光学装置100还具有分别反射半导体激光器阵列10b、10c的激光光束的反射元件11b、11c。反射元件11b、11c例如为反射镜。

激光合成光学装置100还具有会聚部18，该会聚部18将从各半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束会聚于会聚点14。会聚部18由透镜阵列12和会聚透镜13构成。透镜阵列12具有多个独立地会聚从各个半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的会聚透镜。透镜阵列12具备的多个会聚透镜为球面透镜或非球面透镜。

会聚透镜13设置在透镜阵列12的出射面侧。会聚透镜13将从透镜阵列12的多个会聚透镜射出的多个激光光束会聚于会聚点14。

图1所示的光轴15a、15b、15c是从各个半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的光轴。

在激光合成光学装置100中，决定半导体激光器阵列10a、10b、10c以及反射元件11b、11c的位置，以使沿着激光光束的光轴15a、15b、15c从各半导体激光器阵列10a、10b、10c到会聚部18的入射面(即透镜阵列12的入射面)的距离彼此相等。在此，会聚部18的入射面是透镜阵列12的入射面。

从通常的半导体激光器元件发出的激光在与活性层平行的方向和垂直的方向上，激光的出射角度不同。假定在图2中与XZ面平行地形成有活性层(未图示)。在该情况下，与活性层垂直的方向上的出射角(图2的(b))通常大于与活性层平行的方向上的出射角(图2的(a))。

图3示出半导体激光器阵列10a的立体图。沿着活性层(未图示)等间隔地在X方向上排列发光点，来自各发光点的出射光在与活性层垂直的方向(Y方向)上成为细长的椭圆形状。即，半导体激光器阵列10a被配置成阵列排列方向(即发光点的排列方向)与YZ面垂直。此外，半导体激光器阵列10b、10c也同样被配置成阵列排列方向与YZ面垂直。

在本实施方式中，将半导体激光器阵列10a、10b、10c以及反射元件11b、11c配置成，使各激光光束的光轴15a、15b、15c以彼此平行的状态入射到会聚部18。

图4示出激光合成光学装置100的透镜阵列12的入射面处的激光光束的截面。从各半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的截面16a、16b、16c的面积和形状彼此大致相等。这是因为，沿着激光光束的光轴15a、15b、15c从各半导体激光器阵列10a、10b、10c到透镜阵列12的入射面的距离彼此相等。

此外，在图4中，各激光光束的截面16a、16b、16c在X轴方向上为细长形状，是因为在各半导体激光器阵列10a、10b、10c中阵列排列方向(发光点的排列方向)为X轴方向。

如图4所示，多个激光光束以沿Y轴方向排列的状态入射到透镜阵列12。为了高效地利用透镜阵列12会聚各激光光束，期望的是，各激光光束在透镜阵列12的入射面处彼此不重合。在本实施方式中，考虑各半导体激光器阵列10a、10b、10c中的激光光束的出射角度，决定沿着激光光束的光轴从各半导体激光器阵列10a、10b、10c到透镜阵列12的距离，使得各激光光束在透镜阵列12的入射面处彼此不重合。

＜动作＞

从半导体激光器阵列10a的多个发光点射出的激光光束(对应于光轴15a)入射到会聚部18的透镜阵列12。从半导体激光器阵列10b的多个发光点射出的激光光束由反射元件11b反射，改变光轴15b的角度而入射到会聚部18的透镜阵列12。从半导体激光器阵列10c的多个发光点射出的激光光束由反射元件11c反射，改变光轴15c的角度而入射到会聚部18的透镜阵列12。此时，从各半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的截面在X轴方向(图1的朝向纸面内侧的方向)上为细长的椭圆形状。此外，入射到透镜阵列12的各激光光束的光轴15a、15b、15c彼此平行。

在透镜阵列12中，各激光光束独立地在X轴方向上会聚。从透镜阵列12射出的各激光光束入射到会聚透镜13。入射到会聚透镜13的各激光光束会聚于会聚点14。

此外，在本实施例的透镜阵列12中，仅在光的出射面具有会聚透镜，但是，通过在入射面和出射面这两个面都配置会聚透镜，能够进一步提高会聚性能。此外，通过在透镜阵列12的跟前配置在YZ面内具有曲率的柱面透镜并进行组合，能够以使各激光光束的截面16a、16b、16c的形状接近圆的方式进行像差校正。

＜效果＞

本实施方式的激光合成光学装置100的特征在于，该激光合成光学装置100具有：多个半导体激光器阵列10a、10b、10c；以及反射元件11b、11c，它们反射从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的至少1个半导体激光器阵列10b、10c射出的激光光束，在将从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列射出的激光光束会聚于1个会聚点14时，从至少1个半导体激光器阵列10b、10c射出的激光光束在被反射元件11b、11c反射后会聚于会聚点14。

因此，在本实施方式的激光合成光学装置100中，由于将从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束会聚于会聚点14，因此，能够输出高密度且高输出的激光。此外，利用反射元件11b、11c反射激光光束来改变光轴角度，因此，不需要相邻地配置多个半导体激光器阵列10a、10b、10c。因此，在半导体激光器阵列的配置上，自由度得到提高。此外，能够通过调整反射元件11b、11c的角度，自由地调整激光光束的光轴角度。

此外，由于半导体激光器阵列的配置的自由度以及激光元件的光轴角度的自由度得到提高，因此，能够使沿着激光光束的光轴从各半导体激光器阵列10a、10b、10c到会聚部18的入射面的距离彼此相等。由此，使入射到会聚部18的多个激光光束的光束直径彼此相等。因此，能够以简易的结构使会聚于会聚点14的激光光束的光束直径变小。

此外，本实施方式的激光合成光学装置100的特征在于，在反射元件11b、11c与会聚点14之间还具有会聚部18，该会聚部18将从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列射出的激光光束会聚于会聚点14，沿着激光光束的光轴从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列到会聚部18的入射面的距离彼此相等。

因此，在会聚部18的入射面处，入射的各激光光束的光束直径(即，入射的各激光光束的截面形状)变得相等。因此，与入射的各激光光束的光束直径不同的情况相比，在会聚部18中，能够以更简易的结构进行会聚。此外，能够抑制在会聚部18的光学系统中产生的像差。此外，在使会聚部18具有校正像差的功能的情况下，容易进行像差校正。

此外，在本实施方式的激光合成光学装置100中，会聚部18具有透镜阵列12和会聚透镜13，其中，透镜阵列12具有多个独立地会聚从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列射出的激光光束的会聚透镜，会聚透镜13设置在透镜阵列12的出射面侧，将从透镜阵列12的多个会聚透镜射出的多个激光光束会聚于会聚点14，沿着激光光束的光轴从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列到透镜阵列12的入射面的距离彼此相等。

因此，在透镜阵列12的入射面处，入射的各激光光束的光束直径变得相等。因此，能够使透镜阵列12具有的多个会聚透镜的透镜直径相等。此外，在通过透镜阵列12分别会聚各激光光束后，通过会聚透镜13会聚于会聚点14。因此，与仅通过会聚透镜13进行会聚的情况相比，能够抑制在会聚透镜13中发生的像差。

此外，本实施方式的激光合成光学装置100的特征在于，多个半导体激光器阵列10a、10b、10c被配置在同一平面上，在多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中，各个半导体激光器阵列的阵列排列方向为垂直于同一平面的方向。

因此，在多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中，将各个半导体激光器阵列的阵列排列方向设为垂直于同一平面(即，配置有半导体激光器阵列10a、10b、10c的平面)的方向，由此，与将阵列排列方向设为平行于同一平面的方向的情况相比，能够使各激光光束的间隔变窄。因此，能够使会聚部18(即，透镜阵列12和会聚透镜13)小型化。此外，在多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中，将各个半导体激光器阵列的阵列排列方向设为垂直于同一平面的方向，由此，各激光光束的间隔变窄，从而入射到会聚透镜13的各激光光束的间隔也变窄。因此，能够抑制在会聚透镜13中进行会聚时产生的像差。

＜实施方式2＞

图5是示出本实施方式的激光合成光学装置200的结构的图。在实施方式1中，会聚部18的透镜阵列12和会聚透镜13的直径以及各半导体激光器阵列10a、10b、10c的配置间隔受到从各半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的光束直径的制约。

本实施方式的激光合成光学装置200在各半导体激光器阵列10a、10b、10c的出射面侧还具有用于使激光光束平行光化的透镜20a、20b、20c。其它结构与实施方式1相同，因而省略说明。

在图5中，配置在各半导体激光器阵列10a、10b、10c紧后的透镜20a、20b、20c是在YZ面内具有曲率的柱面透镜。如在实施方式1中说明的那样，被透镜20a、20b、20c在YZ面内平行光化后的各个激光直接或者经由反射元件11b、11c入射到会聚部18。

图6是本实施方式的激光合成光学装置200的透镜阵列12的入射面处的激光光束的剖视图。如图6所示，各激光光束的直径在Y方向上变小。激光光束的光束直径在Y轴方向上变小，是因为在各半导体激光器阵列10a、10b、10c紧后配置有透镜20a、20b、20c。由于入射到透镜阵列12的激光光束的光束直径在Y轴方向上变小，因此，能够进一步减小各激光光束的光轴15a、15b、15c的间隔。因此，与实施方式1相比，能够使光学系统整体小型化。尤其能够使透镜阵列12和会聚透镜13在Y轴方向上小型化。

此外，由于能够减小各激光光束的光轴15a、15b、15c的间隔，因此，本实施方式(图5)与实施方式1(图1)相比，会聚于会聚点14的激光光束的角度更小。因此，也有助于配置在会聚点14以后的光学系统的小型化。

在本实施方式中，各激光光束的光束直径较小，因此，能够抑制由会聚透镜13产生的像差。因此，即使在使从会聚透镜13到会聚点14的距离比实施方式1(图1)小的情况下(即进一步减小会聚透镜13的焦距的情况下)，也能够抑制由像差的增大带来的会聚点14处的激光光束的光束直径的增大。因此，在本实施方式的激光合成光学装置200中，还能够得到与光纤等传输光学部件组合而成的装置结构，例如将会聚于会聚点14的激光光束入射到光纤等。

此外，在本实施方式中，将透镜20a、20b、20c设为柱面透镜，但是，通过组合地配置柱面透镜与球面透镜或非球面透镜，在图6中，能够使激光光束的直径不仅在Y轴方向上而且在X轴方向上也变小。通过使激光光束的光束直径在X轴方向上也变小，能够进一步实现装置整体的小型化。此外，组合地配置曲率方向垂直的2个柱面透镜，也能得到相同的效果。

此外，还能够将透镜20a、20b、20c分别设为透镜阵列形状。在该情况下，可以将透镜阵列组装于各半导体激光器阵列10a、10b、10c。

＜效果＞

本实施方式的激光合成光学装置200在多个半导体激光器阵列10a、10b、10c各自的出射面侧，还具有使激光光束成为平行光或对激光光束进行会聚的透镜20a、20b、20c。

因此，通过在各半导体激光器阵列10a、10b、10c的出射面分别配置使激光光束成为平行光或对激光光束进行会聚的透镜20a、20b、20c，能够减小各激光光束的光束直径。通过减小激光光束的光束直径，能够使会聚部18小型化。此外，由于能够进一步减小各激光光束的光轴的间隔，因此，能够实现激光合成光学装置200自身的小型化。此外，由于能够进一步减小各激光光束的光轴的间隔，因此，能够抑制在会聚部18中产生的像差，进一步减小会聚于会聚点14的激光光束的光束直径。

＜实施方式3＞

图7是示出本实施方式的激光合成光学装置300的结构的图。在本实施方式的激光合成光学装置300中，从各半导体激光器阵列10a、10b、10c射出的激光光束的光轴15a、15b、15c在会聚点14交叉。

即，从半导体激光器阵列10a射出的激光光束在不改变光轴角度的状态下到达会聚点14。此外，从半导体激光器阵列10b射出的激光光束由反射元件11b反射后，在不改变光轴角度的状态下到达会聚点14。同样，从半导体激光器阵列10c射出的激光光束由反射元件11c反射后，在不改变光轴角度的状态下到达会聚点14。

在实施方式2中，是通过会聚透镜13将各激光光束会聚于会聚点14。另一方面，在本实施方式中，将半导体激光器阵列10a、10b、10c以及反射元件11b、11c配置成使各激光光束的光轴15a、15b、15c在会聚点14交叉，因此，不需要会聚透镜13。

在本实施方式中，替代实施方式2中的会聚透镜13而具有像差校正透镜17。像差校正透镜17是用于对透镜阵列12导致的像差进行校正的透镜。其它结构与实施方式2(图5)相同，因而省略说明。

此外，根据配置在会聚点14之后的光学系统的要求，也可以设为不具有透镜阵列12和像差校正透镜17中的任意一方或双方的结构。

＜效果＞

本实施方式的激光合成光学装置300的特征在于，沿着激光光束的光轴15a、15b、15c从多个半导体激光器阵列10a、10b、10c中的各个半导体激光器阵列到会聚点14的距离彼此相等，由反射元件11b、11c反射的激光光束在由反射元件11b、11c反射后，在不改变激光光束的光轴15b、15c的角度的状态下到达会聚点14，不由反射元件11b、11c反射的激光光束在从半导体激光器阵列10a射出后，在不改变激光光束的光轴15a的角度的状态下到达会聚点14。

因此，在本实施方式的激光合成光学装置300中，将各半导体激光器阵列10a、10b、10c以及反射元件11b、11c配置成使各激光光束的光轴15a、15b、15c在会聚点14交叉，因此不需要会聚透镜13。因此，通过削减部件数量，能够简化激光合成光学装置300的结构。此外，由于不使用会聚透镜13进行会聚，因而不易产生像差。因此，与使用会聚透镜13的情况相比，能够进一步减小会聚于会聚点14的激光光束的直径。

此外，本实施方式的激光合成光学装置300在会聚点14的前级，还具有对激光光束的像差进行校正的像差校正透镜17。

因此，通过利用像差校正透镜17对在透镜阵列12中产生的像差进行校正，能够进一步减小会聚于会聚点14的激光光束的直径。

此外，本发明能够在其发明范围内自由地组合各实施方式，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。

Claims

1.一种激光合成光学装置，其特征在于，该激光合成光学装置具有：

多个半导体激光器阵列；以及

反射元件，其反射从所述多个半导体激光器阵列中的至少1个所述半导体激光器阵列射出的激光光束，

在将从所述多个半导体激光器阵列中的各个半导体激光器阵列射出的激光光束会聚于1个会聚点时，从所述至少1个半导体激光器阵列射出的激光光束在被所述反射元件反射后会聚于所述会聚点，

沿着激光光束的光轴从所述多个半导体激光器阵列中的各个半导体激光器阵列到所述会聚点的距离彼此相等，

由所述反射元件反射的激光光束在由该反射元件反射后，在不改变激光光束的光轴角度的状态下到达所述会聚点，

不由所述反射元件反射的激光光束在从所述半导体激光器阵列射出后，在不改变激光光束的光轴角度的状态下到达所述会聚点。

2.根据权利要求1所述的激光合成光学装置，其中，

所述激光合成光学装置在所述会聚点的前级，还具有对激光光束的像差进行校正的像差校正透镜。

3.根据权利要求1或2所述的激光合成光学装置，其中，

所述激光合成光学装置在所述多个半导体激光器阵列各自的出射面侧，还具有使激光光束成为平行光或对激光光束进行会聚的透镜。